Cómo los rayos X pueden hacer mejores baterías
marzo 4, 2022Durante un período de tres meses, el automóvil promedio en los EE. UU. produce una tonelada métrica de dióxido de carbono. Multiplique eso por todos los autos que funcionan con gasolina en la Tierra, y ¿cómo se ve eso? Un problema insuperable.
Pero los nuevos esfuerzos de investigación dicen que hay esperanza si nos comprometemos con emisiones netas de carbono cero para 2050 y reemplazamos los vehículos que consumen mucha gasolina con vehículos eléctricos, entre muchas otras soluciones de energía limpia.
Para ayudar a nuestra nación a alcanzar este objetivo, científicos como William Chueh y David Shapiro están trabajando juntos para idear nuevas estrategias para diseñar baterías de larga distancia más seguras hechas de materiales sostenibles y abundantes en la Tierra.
Chueh es profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford y tiene como objetivo rediseñar la batería moderna de abajo hacia arriba. Se basa en herramientas de última generación en las instalaciones de usuarios científicos del Departamento de Energía de EE. UU., como la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab y la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford de SLAC, instalaciones de sincrotrón que generan haces brillantes de luz de rayos X, para revelar la dinámica molecular de los materiales de la batería en el trabajo.
Durante casi una década, Chueh ha colaborado con Shapiro, un científico sénior del personal del ALS y un destacado experto en sincrotrón, y juntos, su trabajo ha dado como resultado técnicas nuevas e impresionantes que revelan por primera vez cómo funcionan los materiales de las baterías en acción, en tiempo real. a escalas sin precedentes invisibles a simple vista.
Discuten su trabajo pionero en esta sesión de preguntas y respuestas.
P: ¿Qué le hizo interesarse en la investigación de baterías/almacenamiento de energía?
Chueh: Mi trabajo está impulsado casi por completo por la sostenibilidad. Me involucré en la investigación de materiales energéticos cuando era estudiante de posgrado a principios de la década de 2000; estaba trabajando en tecnología de celdas de combustible. Cuando me uní a Stanford en 2012, me resultó obvio que el almacenamiento de energía escalable y eficiente es crucial.
Hoy, estoy muy emocionado de ver que la transición energética lejos de los combustibles fósiles se está convirtiendo en una realidad y que se está implementando a una escala increíble.
Tengo tres objetivos: primero, estoy haciendo una investigación fundamental que sienta las bases para permitir la transición energética, especialmente en términos de desarrollo de materiales. Segundo, estoy capacitando a científicos e ingenieros de clase mundial que saldrán al mundo real para resolver estos problemas. Y luego tercero, estoy tomando la ciencia fundamental y traduciéndola al uso práctico a través del espíritu empresarial y la transferencia de tecnología.
En ese último punto, tengo el placer de fundar Mitra Chem, una empresa de materiales para baterías, hace poco menos de un año durante la pandemia. Mitra Chem está trabajando para comercializar algunas de estas ideas.
Espero que eso les brinde una visión integral de lo que me impulsa y lo que creo que se necesita para marcar la diferencia: es el conocimiento, la gente y la tecnología.
Shapiro: Mi experiencia es en óptica y dispersión coherente de rayos X, por lo que cuando comencé a trabajar en el ALS en 2012, las baterías no estaban realmente en mi radar. Me encargaron desarrollar nuevas tecnologías para la microscopía de rayos X de alta resolución espacial, pero esto llevó rápidamente a las aplicaciones y a tratar de descubrir qué están haciendo los investigadores en Berkeley Lab y más allá y cuáles son sus necesidades.
En ese momento, alrededor de 2013, había mucho trabajo en el ALS utilizando diversas técnicas que explotaban la sensibilidad química de los rayos X blandos para estudiar las transformaciones de fase en los materiales de las baterías, en particular el fosfato de hierro y litio (LiFePO4), entre otros.
Quedé realmente impresionado con el trabajo de Will, así como con Wanli Yang, Jordi Cabana (antiguo científico de plantilla en el Área de Tecnologías Energéticas (ETA) de Berkeley Lab que ahora es profesor asociado en la Universidad de Illinois Chicago) y otros cuyo trabajo también construyó a partir del trabajo de los investigadores de ETA Robert Kostecki y Marca Doeff.
No sabía nada sobre baterías en ese momento, pero el impacto científico y social de esta área de investigación rápidamente se hizo evidente para mí. La sinergia de la investigación en Berkeley Lab también me pareció muy profunda y quería descubrir cómo contribuir a eso. Entonces comencé a acercarme a la gente para ver qué podíamos hacer juntos.
Resultó que había una gran necesidad de mejorar la resolución espacial de las mediciones de los materiales de nuestras baterías y observarlas durante el ciclo, y Will y yo hemos estado trabajando en eso durante casi una década.
P: Will, como científico de baterías, ¿cuál diría que es el mayor desafío para fabricar mejores baterías?
Chueh: Las baterías tienen del orden de 10 métricas que tienes que cooptimizar al mismo tiempo. Es fácil hacer una batería que sea buena en quizás cinco de los 10, pero hacer una batería que sea buena en cada métrica es inmensamente desafiante.
Por ejemplo, supongamos que desea una batería que sea densa en energía para que pueda conducir un automóvil eléctrico durante 500 millas por carga. Es posible que desee una batería que se cargue en 10 minutos. Y es posible que desee una batería que dure 20 años. También quieres una batería que nunca explote. Pero es difícil cumplir con todas estas métricas a la vez.
Lo que estamos tratando de hacer es comprender cómo podemos crear una tecnología de batería única que sea segura, duradera y que se pueda cargar en 10 minutos.
Y esas son las ideas fundamentales que nuestros experimentos en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab están tratando de hacer: descubrir esas compensaciones inexplicables para que podamos ir más allá de las reglas de diseño actuales, lo que nos permitiría identificar nuevos materiales y nuevos mecanismos para que podamos liberarnos de esas restricciones.
P: ¿Qué capacidades únicas ofrece el ALS que han ayudado a ampliar los límites de la investigación sobre baterías o almacenamiento de energía?
Chueh: Para entender lo que está pasando, necesitamos verlo. Tenemos que hacer observaciones. Una filosofía clave de mi grupo es adoptar la dinámica y la heterogeneidad de los materiales de las baterías. El material de una batería no es como una roca. No es estático. Lo está cargando y descargando todos los días para sus teléfonos y cada semana para sus autos eléctricos. No vas a entender cómo funciona un coche si no lo conduces.
La segunda parte es que los materiales de batería heterogéneos tienen una duración extremadamente larga. Una celda de batería suele tener unos pocos centímetros de alto, pero para comprender lo que sucede dentro de la batería, y tengo hermosas imágenes para esto, debe ver todo el camino hasta la nanoescala y la escala atómica. Eso es alrededor de 10 órdenes de magnitud de longitud.
Lo que la fuente de luz avanzada permite que los científicos como yo puedan hacer es adoptar la heterogeneidad y la dinámica de una batería de formas sin precedentes: podemos medir procesos muy lentos. Podemos medir procesos muy rápidos. Podemos medir cosas en la escala de muchos cientos de micrones (millonésimas de metro). Podemos medir cosas a nanoescala (mil millonésima parte de un metro). Todo con una herramienta increíble en Berkeley Lab.
Shapiro: La microscopía de rayos X de transmisión de barrido (STXM) es un método basado en sincrotrón muy popular. La mayoría de los sincrotrones en todo el mundo tienen al menos un instrumento STXM, mientras que el ALS tiene tres, y un cuarto está en camino a través del proyecto ALS Upgrade (ALS-U).
Creo que algunas cosas hacen que nuestro programa sea único. Primero, tenemos una cartera de instrumentos con especializaciones. Uno está optimizado para la espectroscopia de elementos ligeros, por lo que un elemento como el oxígeno, que es un ingrediente fundamental en la química de las baterías, se puede caracterizar con precisión.
Otro instrumento se especializa en mapear la composición química a una resolución espacial muy alta. Contamos con la microscopía de rayos X de mayor resolución espacial del mundo. Esto es muy poderoso para acercarse a las reacciones químicas que ocurren dentro de las nanopartículas e interfaces individuales de una batería.
Nuestro tercer instrumento se especializa en mediciones de «operando» de la química de la batería, que necesita para comprender realmente la evolución física y química que ocurre durante el ciclo de la batería.
También hemos trabajado arduamente para desarrollar sinergias con otras instalaciones en Berkeley Lab. Por ejemplo, nuestro microscopio de alta resolución utiliza los mismos entornos de muestra que los microscopios electrónicos en Molecular Foundry, la instalación para usuarios de nanociencia de Berkeley Lab, por lo que se ha vuelto factible probar el mismo entorno de batería activa con rayos X y electrones. Will ha utilizado este enfoque correlativo para estudiar las relaciones entre los estados químicos y la tensión estructural en los materiales de las baterías. Esto nunca se había hecho antes en las escalas de longitud a las que tenemos acceso y proporciona una nueva perspectiva.
P: ¿Cómo avanzará el proyecto ALS Upgrade en las tecnologías de almacenamiento de energía de última generación? ¿Qué ofrecerá el ALS actualizado a los investigadores de baterías/almacenamiento de energía que será exclusivo de Berkeley Lab?
Shapiro: El ALS actualizado será único por algunas razones en lo que respecta a la microscopía. En primer lugar, será la fuente de rayos X blandos más brillante del mundo, proporcionando 100 veces más rayos X en la muestra que los que tenemos hoy. Las técnicas de microscopía de barrido se beneficiarán de un brillo tan alto.
Esta es una gran oportunidad y un gran desafío. Podemos usar este brillo para medir los datos que obtenemos hoy, pero hacerlo 100 veces más rápido es la parte desafiante.
Estas nuevas capacidades nos darán una visión mucho más precisa estadísticamente de la estructura y función de la batería al expandirse a escalas de longitud más grandes y escalas de tiempo más pequeñas. Alternativamente, también podríamos medir datos a la misma velocidad que hoy, pero con una resolución espacial unas tres veces más fina, llevándonos de unos 10 nanómetros a unos pocos nanómetros. Esta es una escala de longitud muy importante para la ciencia de los materiales, pero hoy en día simplemente no es accesible mediante microscopía de rayos X.
Otra cosa que hará que el ALS actualizado sea único es su proximidad a la experiencia en Molecular Foundry; otras áreas científicas como el Área de Tecnologías Energéticas; y centros de investigación de energía actuales y futuros con sede en Berkeley Lab. Esta sinergia continuará impulsando la investigación de almacenamiento de energía.
Chueh: En la investigación de baterías, uno de los desafíos que tenemos en este momento es que tenemos tantos problemas interesantes que resolver, pero lleva horas y días hacer una sola medición. El proyecto ALS-U aumentará el rendimiento de los experimentos y nos permitirá probar materiales a mayor resolución y escalas más pequeñas. En conjunto, eso se suma a permitir nueva ciencia. Hace años, contribuí a defender ALS-U, por lo que no podría estar más orgulloso de ser parte de eso. Estoy muy emocionado de ver el ALS actualizado en línea para que podamos aprovechar sus nuevas y emocionantes capacidades para hacer ciencia que no podemos hacer hoy.
